彈載電子設備螺釘擰緊力矩研究

黃 凱， 劉 宇， 李建偉， 錢皇延

（上海無線電設備研究所，上海200090）

0 引言

由于彈載電子設備輕量化、小型化、防腐蝕的要求，連接結構中一般采用不銹鋼螺釘擰入鋁合金螺紋孔，達到預緊產品的目的。采用彈簧墊圈或者膠水起到防松作用。為了提高彈載電子設備螺釘裝配質量，為智能制造奠定技術基礎，有必要開展不銹鋼螺釘擰緊力矩量化研究。

國內現有標準中，只有針對碳鋼、合金鋼、鈦合金M6以上的螺栓擰入螺母的擰緊力矩，不適用于彈載電子設備［1-2］。國內，學者焦超鋒等開展了機載電子設備常用螺釘擰緊力矩研究［3］。學者孫東梅開展了力矩控制在雷達裝配中的應用研究［4］。對不銹鋼螺釘擰入鋁合金螺紋孔的工況，考慮螺釘材料、螺紋孔材料等因素，基于抗拉強度理論計算預緊力。查表得到擰緊力矩系數，實現擰緊力矩的量化。

國外，美國航空航天局編制標準NASA-RP-1228《緊固件設計手冊》和NASA-STD-5020《航天器用螺紋緊固系統要求》，對設計、分析、工藝、質量保證等方面，進行了規定。

本文將建立螺釘緊固系統，從系統層面出發，綜合考慮螺釘、螺紋孔和被連接件的材料力學性能，基于強度理論，計算預緊力。合理選取螺紋副的摩擦系數，彈簧墊圈與平墊圈之間端面摩擦副的摩擦系數，初步估算擰緊力矩系數。開展擰緊力矩系數測試，修正擰緊力矩系數，提高力矩量化精度。開展隨機振動環境試驗，驗證方法的可行性。

1 擰緊力矩量化思路

螺釘的擰緊力矩主要由螺釘的預緊力、螺釘大小和擰緊力矩系數、緊固系數Q相關。鑒于電子設備的特性，螺紋孔和被連接件的強度較低，螺釘的預緊力需要考慮螺釘強度、螺紋孔強度和被連接件強度。鑒于不銹鋼螺釘、鋁合金螺紋孔的材料硬度較軟，摩擦系數相對較高，需要重新計算擰緊力矩系數。緊固系數Q值主要與安裝工具和潤滑條件相關。

擰緊力矩的量化思路，如圖1所示。

彈載電子設備擰緊力矩系數經過試驗測試及修正，可進一步提高預緊力的安裝精度。

圖1 擰緊力矩量化思路

2 緊固系統建模

2.1 電子設備緊固系統

彈載電子設備典型緊固系統主要由元器件、印制板、屏蔽殼體、蓋板、緊固件、螺紋膠水和框架等組成，如圖2所示。

圖2 電子設備典型緊固系統組成

電子設備螺釘裝配一般可分為電路板級、組件級和系統級。在電路板級裝配中，質量較重的元器件通過螺釘安裝在電路板上，常用緊固結構如圖3所示。

圖3 電路板級裝配

在組件級裝配中，電路板組件通過螺釘安裝在屏蔽殼體內，常用緊固結構如圖4所示。

圖4 組件級電路板組件裝配

蓋板通過螺釘安裝在殼體上，常用緊固結構如圖5所示。

圖5 組件級蓋板裝配

在系統級裝配中，組件通過螺釘安裝在系統框架上，常用緊固結構如圖6所示。

圖6 系統級裝配

電子設備典型緊固系統中，選用的緊固件、器件安裝法蘭、印制板、屏蔽殼體、蓋板和框架的材料性能參數，如表1所示。

2.2 預緊力

預緊力是螺釘與螺紋孔完成裝配時，螺釘受到的軸向拉伸力。該力不包括作用在螺釘—螺紋孔連接副上的外力。

電子設備緊固系統中，預緊力取決于螺釘強度、螺紋孔強度和被連接件強度，選取三者中的最小值作為計算依據。

表1 材料性能參數

螺釘采用不銹鋼材料，而螺紋孔一般為鋁合 金或不銹鋼材料。此時螺釘強度取決于螺桿抗拉強度。螺紋孔強度取決于螺紋抗剪切強度、抗擠壓強度和抗彎曲強度，選取三者中的最小值作為計算依據。被連接件的強度取決于抗壓強度。

預緊力的計算方程為

式中：F0為預緊力；k為預緊力系數，k取0.5～0.6；F1為螺釘能承受的最大軸向力；F2為螺紋孔能承受的最大軸向力；F3為被連件能承受的最大軸向力；σs為螺釘屈服應力；As為螺紋應力截面積；F21、F22、F23分別為基于螺紋孔抗剪切強度、抗擠壓強度、抗彎曲強度的最大軸向力；D為螺紋孔大徑；b為螺紋牙底寬度；z為結合圈數；［τ］為許用剪應力，對于材質為鋁合金，可以取［τ］=0.6［σ］，［σ］為材料許用拉應力，［σ］=σs/S，其中σs為屈服應力，S為安全系數，對于有控制預緊力措施的，S取1.2～1.5；D2為螺紋中徑；h為螺紋工作高度；［σb］為螺紋牙許用彎曲應力，［σb］= （1～1.2）［σ］；p為螺距；［σp］為許用擠壓應力，［σp］= ［σ］；A 為擠壓接觸面積，盤頭螺釘和內六角螺釘一般都與平墊圈一起使用，擠壓面積以平墊圈表面積為準，沉頭螺釘以沉頭錐形表面積為準。

美國馬歇爾航天飛行中心螺紋緊固件擰緊力矩標準中，給出的安裝力矩規定為：對于一般結構連接場合，安裝力矩不應超過拉力屈服載荷的65%；對于關鍵結構連接場合，安裝力矩應占相應拉力屈服載荷更高的比例。美國MIL-HDBK-60《螺紋緊固件—擰緊到合適的預緊力》標準中，給出的最大螺栓預緊力應在以下范圍內：螺栓最小為拉力載荷的50%～80%［5］。國內，《緊固件連接設計手冊》中，一般機械的安裝力矩為拉力屈服載荷的50%～70%［6］。

針對彈載電子設備緊固系統，選擇螺釘、螺紋孔和被連接件三者中，屈服載荷的50%～60%作為預緊力。

2.3 擰緊力矩系數

根據機械設計手冊，螺栓和螺母緊固系統的擰緊力矩系數理論計算方程為

式中：K為擰緊力矩系數；d2為螺紋中徑；d為螺紋公稱直徑；φ為螺紋升角；ρv為當量摩擦角；fc為緊固件與被連接件支撐面（墊圈）間的摩擦系數；Dw為緊固件（墊圈）與被連接件支承面外圓直徑；d0為緊固件（墊圈）與被連接件支承面內圓直徑［7］；P為螺紋螺距；f為螺紋副間摩擦系數；β為螺紋牙型斜角。

電子設備緊固系統中，擰緊力矩系數可參照式（2）進行計算。不銹鋼和鋁合金材料，與碳鋼、合金鋼比，表面偏軟，摩擦系數會增大。電路板級裝配中，不銹鋼螺釘與彈簧墊圈間可視為軟鋼和鋼接觸，螺紋副可視為軟鋼和軟鋼接觸。組件級電路板組件裝配和系統級裝配中，不銹鋼螺釘與彈簧墊圈間可視為軟鋼和鋼接觸，螺紋副可視為軟鋼和鋁合金接觸。組件級蓋板裝配中，不銹鋼螺釘與蓋板間的接觸面為圓錐形，可視為軟鋼和鋁合金接觸。不同材料間的摩擦系數，按設計手冊選取［8］。

電路板級、組件級和系統級裝配的參數選取，見表2。

經過計算，擰緊力矩系數如表3所示。

可見，不同工況條件下的擰緊力矩系數K存在差別。擰緊力矩系數K與螺紋的尺寸大小關系不大。

2.4 緊固系數

電子設備裝配時，受緊固方法、緊固件表面狀態、潤滑狀態的影響，依據《螺紋連接的理論與計算》，引入緊固系數Q，不同條件下，Q的標準值，見表4。

彈載電子設備采用帶扭矩控制的工具安裝。螺釘材料一般為不銹鋼，表面簡單清洗處理。零件的螺紋孔一般為導電氧化。裝配過程中，一般無潤滑。根據緊固方法和表面狀態，緊固系數Q取1.8。

表2 參數取值

表4 緊固系數Q的標準值

2.5 擰緊力矩

螺釘的擰緊力矩是指螺釘在擰緊時采用的力矩。在正常條件下，施加在螺釘或者螺母上的力矩并不全產生螺釘預緊力，其中約有50%用于克服螺母或螺釘頭與支承面之間的摩擦，螺紋摩擦損耗的力矩約占擰緊力矩的40%，而產生螺釘預緊力的力矩僅占擰緊力矩的10%左右。支承面的摩擦系數、螺紋接觸面的摩擦系數、擰緊速度、工作現場的溫度等許多因素都會影響以上3者之間的比例。摩擦系數（包括螺紋間的摩擦系數和螺釘與支承面間摩擦系數）越小，產生螺釘預緊力的比例就越大［9］。

擰緊力矩T，按下式計算

式中：Q為緊固系數；K為擰緊力矩系數；d為螺紋公稱直徑；F0為預緊力。

電子設備的擰緊力矩計算結果，如表5所示。

3 擰緊系數測試及數據分析

3.1 測試方案

擰緊力矩系數K主要與螺紋中徑、螺距、螺紋副的摩擦系數、螺釘端面與墊圈的摩擦系數、螺紋牙型角、螺紋升角、墊片與螺釘端面的接觸面積等因素相關。其中，摩擦系數主要與材料的表面粗糙度、潤滑條件、材料的軟硬程度等因素相關。

表5 擰緊力矩計算

有必要針對彈載電子設備常用螺釘的典型使用工況，開展擰緊力矩系數K的測試。試驗方法可參考標準GB/T16823.3。

測試方案，如圖7所示。

將殼體模擬件固定在固定工裝上，模擬件的材料、加工方法、表面處理與實際殼體一致。固定工裝安裝在拉伸機的底盤上。印制板模擬件放置在支撐工裝上，模擬件的材料、加工方法、表面處理與實際印制板一致。支撐工裝安裝在拉伸機的拉伸軸上。支撐工裝與殼體模擬件之間保持一定的間隙，力矩螺絲刀安裝過程中，產生預緊力，預緊力可傳遞到拉伸軸上。試驗用的緊固件與實際產品用的緊固件標準一致。試驗用力矩螺絲刀與實際產品裝配用的工具一致。

圖7 試驗方案

按工況條件，開展電子設備擰緊力矩系數測試。按電路板級、組件級和系統級開展試驗設計。為了提高試驗數據的可信度，采取同一工況，多個樣本，同一樣本，多次測試的方案。每個工況，樣本數6個，每組測試5次。

3.2 測試結果及分析

測試結果如表6所示。

表6 K值測試結果

（1）不同工況下的K值

經測試，不同工況下的K值不同。表6列出了4種工況下K值的試驗結果、平均值、標準差以及與表3理論計算結果的偏差情況。受螺紋加工精度、試驗設備精度、力矩螺絲刀精度等因素影響，同一工況不同樣本間K值會有一定波動。測試結果標準差相對較小，說明波動較小，測試方法可重復性強。系統級裝配，測試值與計算值偏差最大，達到24.8%。

實測電子設備各種工況下的擰緊力矩系數K的平均值在0.29～0.50區間內。同等潤滑、表面處理條件下碳鋼、合金鋼螺栓螺母結構的K值為0.18～0.21。驗證了不銹鋼和鋁合金材料相對碳鋼、合金鋼表面硬度偏軟，摩擦系數變大，導致擰緊力矩系數較大。

（2）K值與擰緊力矩的關系

為了驗證同一工況下，擰緊力矩大小對K值的影響。以系統級M4螺釘裝配為研究對象，選兩組進行測試，擰緊力矩逐漸增大時，預緊力的變化情況，如圖8所示。

圖8 預緊力隨擰緊力矩變化圖

直線斜率的倒數除以螺紋公稱直徑，即可獲得K值。圖8中，兩次試驗的曲線基本呈一條直線。說明K值與擰緊力矩的大小沒有關系。兩組試驗的斜率很接近，進一步說明測試方法的可重復性強。

（3）螺紋膠對擰緊力矩系數K的影響

對于組件級蓋板裝配工況，沉頭螺釘為了防松，螺紋表面涂樂泰222螺紋膠。根據文獻，膠水對預緊力有影響［10］。有必要測試此工況下的擰緊力矩系數。選取樣本10個，每組測試5次，擰緊力矩為0.23 N·m，預緊力及K值見表7。

表7 涂膠螺釘K值測試結果

涂膠后的擰緊力矩系數K的均值為0.332，標準差為0.028。未涂膠的擰緊力矩系數K的均值為0.498，標準差為0.039。可見，涂膠后擰緊力矩系數K明顯減少，樂泰222具有潤滑作用。

3.3 擰緊力矩修正

為了提高彈載電子設備螺釘預緊力安裝精度，將實測K值代入公式3，對擰緊力矩進行修正，修正后的擰緊力矩值見表8。

表8 修正后的擰緊力矩

4 驗證試驗

力矩裝配已經在彈載電子設備多個批次的產品中得到應用。產品經過了應力篩選試驗、隨機振動、沖擊、離心、溫沖等環境試驗、可靠性增長試驗和飛行試驗的驗證，滿足使用要求。

5 結束語

本文從彈載電子設備緊固系統出發，綜合分析了力矩量化的相關因素。基于力學、材料學、摩擦學和機械學知識，通過理論計算，確定不同工況下的擰緊力矩。開展擰緊系數測試，分析了不同工況、不同擰緊力矩、螺紋膠水對擰緊力矩系數的影響。

針對預緊力安裝誤差要求不高的場合，可直接使用理論計算值作為安裝力矩，預緊力精度可控制在±30%以內。對預緊力要求較高的場合，建議每批次，開展擰緊力矩系數測試及修正，可顯著提高預緊力安裝精度。